Elektromagnetyczne urządzenia statyczne służą do wytwarzania i stosowania pola magnetycznego. Istnieje wiele powodów, dla których transformator jest potrzebny w obwodach elektronicznych, elektrycznych i radiowych. Urządzenie jest wyposażone w uzwojenia indukcyjne, które są wzajemnie połączone na rdzeniu magnetycznym. Sieć zasilająca wytwarza pole zmienne, natomiast transformator wykorzystuje indukcję elektromagnetyczną do nadania prądowi stałej wartości bez zmiany częstotliwości.
Zawartość
Definicja i zastosowanie
Do zasilania przyrządów potrzebne są napięcia o różnych charakterystykach. Transformator to konstrukcja umożliwiająca wykorzystanie indukcyjnego działania pola magnetycznego. Cewki wstęgowe lub drutowe połączone wspólnym prądem zmniejszają lub zwiększają napięcie. W telewizorze do zasilania tranzystorów i układów scalonych używa się napięcia 5 V, a zasilanie kineskopu wymaga kilku kilowoltów, gdy używany jest oscylator kaskadowy.
Izolowane uzwojenia są umieszczone na rdzeniu z materiału spontanicznie namagnesowanego o określonej wartości napięcia. Starsze urządzenia wykorzystywały istniejącą częstotliwość sieci zasilającej, około 60 Hz. W nowoczesnych obwodach zasilania urządzeń stosuje się transformatory impulsowe wysokiej częstotliwości. Napięcie zmienne jest prostowane i przekształcane za pomocą oscylatora na wartość o określonych parametrach.
Napięcie jest stabilizowane przez jednostkę sterującą z modulacją szerokości impulsu. Wysokoczęstotliwościowe impulsy są przekazywane do transformatora, a wyjście jest stabilne. Masywność i ciężkość poprzednich urządzeń zastąpiono lekkością i małymi rozmiarami. Wydajność liniowa urządzenia jest proporcjonalna do mocy w stosunku 1:4, a częstotliwość prądu jest zwiększana w celu zmniejszenia rozmiarów urządzenia.
Moduły masywne są stosowane w obwodach zasilających, gdy istnieje potrzeba minimalnego rozpraszania zakłóceń o wysokiej częstotliwości, np. w przypadku zapewnienia wysokiej jakości dźwięku.
Budowa i zasada działania
Producent wybiera podstawowe zasady działania urządzenia, ale nie ma to wpływu na jego niezawodność. Koncepcje te różnią się w procesie produkcyjnym. Zasada działania transformatora opiera się na dwóch stwierdzeniach:
- zmienny ruch kierunkowych nośników ładunku tworzy zmienne pole sił magnetycznych;
- Wpływ na strumień sił przekazywany przez cewkę powoduje powstanie siły elektromotorycznej i indukcji.
Urządzenie składa się z następujących części:
- Drut magnetyczny (rdzeń);
- cewka lub uzwojenie;
- podłoże do ułożenia cewek;
- materiał izolacyjny;
- układ chłodzenia;
- inne elementy mocowania, dostępu, ochrony.
Działanie transformatora zależy od rodzaju konstrukcji oraz kombinacji rdzenia i uzwojeń. W przypadku typu rdzeniowego przewodnik jest zamknięty w uzwojeniu i trudno go dostrzec. Zwoje są widoczne, górna i dolna część rdzenia są widoczne, a oś jest pionowa. Materiał, z którego wykonana jest cewka, musi dobrze przewodzić prąd elektryczny.
W produktach typu pancernego rdzeń ukrywa większość skrętów i jest umieszczony poziomo lub pionowo. Konstrukcja transformatora toroidalnego polega na umieszczeniu dwóch niezależnych uzwojeń na rdzeniu magnetycznym bez żadnego połączenia elektrycznego między nimi.
System magnetyczny
Wykonane ze stopowej stali transformatorowej, ferrytu, permaloju, zachowujące kształt geometryczny w celu wytworzenia pola magnetycznego urządzenia. Przewód jest zbudowany z płyt, taśm, podków i jest wytwarzany na prasie. Część, na której umieszcza się uzwojenie, nazywana jest jarzmem. Jarzmo jest elementem bez zwojów, który kończy zamykanie obwodu.
Sposób działania transformatora zależy od ułożenia jarzma, które może być
- płaska - osie jarzma i rdzeni leżą w tej samej płaszczyźnie;
- przestrzenne - elementy podłużne są rozmieszczone na różnych powierzchniach;
- symetryczne - przewody o tym samym kształcie, wielkości i konstrukcji są rozmieszczone we wszystkich jarzmach w podobny sposób jak pozostałe;
- asymetryczne - poszczególne rozpórki różnią się wyglądem, wymiarami i są umieszczone w różnych pozycjach.
Jeżeli przyjmie się, że przez uzwojenie, zwane uzwojeniem pierwotnym, płynie prąd stały, to przewód magnetyczny jest otwarty. W innych przypadkach, gdy rdzeń jest zamknięty, służy do zamknięcia linii energetycznych.
Uzwojenia .
Wykonuje się je jako zestaw cewek ułożonych na przewodnikach o przekroju kwadratowym. Kształt jest wykorzystywany do wydajnej pracy oraz do zwiększenia współczynnika wypełnienia okna rdzenia magnetycznego. Jeśli wymagany jest większy przekrój rdzenia, wykonuje się go jako dwa równoległe elementy, aby ograniczyć występowanie prądów wirowych. Każdy taki przewodnik nazywany jest rdzeniem.
Rdzeń jest owinięty w papier i pokryty lakierem emaliowym. Czasami dwie równolegle ułożone żyły są otoczone wspólną izolacją, a taki zestaw nazywa się kablem. Uzwojenia są zróżnicowane w zależności od ich przeznaczenia:
- główne - są zasilane prądem zmiennym, wychodzi z nich przekształcony prąd elektryczny;
- uzwojenia sterujące - mają zagięcia umożliwiające transformację napięcia przy niskich prądach;
- pomocnicze - służą do zasilania sieci prądem mniejszym niż moc znamionowa transformatora oraz do magnesowania obwodu prądem stałym.
Metody owijania:
- Nawijanie rzędowe - skręty wykonuje się w kierunku osi na całej długości przewodnika, kolejne skręty nawijane są ciasno, bez przerw;
- nawijanie spiralne - nawijanie wielowarstwowe z przerwami między pierścieniami lub zachodzeniem na siebie sąsiednich elementów;
- nawijanie tarczy - rząd spirali jest nawijany kolejno po sobie, po okręgu, przy czym nawijanie odbywa się promieniście w kierunku wewnętrznym i zewnętrznym;
- Zwoje folii wykonuje się z szerokich arkuszy aluminium i miedzi o grubości od 0,1-2 mm.
Symbole
Aby ułatwić odczytanie schematu transformatora, zastosowano specjalne oznaczenia. Rdzeń jest narysowany grubą linią, liczba 1 oznacza uzwojenie pierwotne, a uzwojenia wtórne są oznaczone liczbami 2 i 3.
Na niektórych schematach linia bazowa ma grubość zbliżoną do rysunku półokręgu. Oznaczenie materiału rdzenia jest inne:
- Rdzeń magnetyczny ferrytowy jest narysowany grubą linią;
- Rdzeń stalowy ze szczeliną magnetyczną jest narysowany cienką linią z przerwą w środku;
- oś namagnesowanego dielektryka jest zaznaczona cienką linią przerywaną;
- pręt miedziany jest narysowany jako wąska linia z oznaczeniem materiału według tablicy Mendelejewa.
Pogrubione kropki służą do wyróżnienia wyjścia cewki, oznaczenie indukcji chwilowej jest takie samo. Używane do oznaczania jednostek pośrednich w oscylatorach kaskadowych w celu wskazania odwrócenia fazy. Kropki są umieszczane, gdy konieczne jest ustawienie biegunowości podczas montażu i kierunku ułożenia uzwojeń. Liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym jest określona umownie, a liczba półokręgów nie jest regulowana; proporcjonalność istnieje, ale nie jest ściśle przestrzegana.
Główne cechy są następujące
Praca jałowa ma miejsce, gdy wtórnik transformatora jest otwarty i nie ma na nim napięcia. Przez element pierwotny przepływa prąd i następuje reaktywne namagnesowanie. Przy pracy bez obciążenia wyznaczono sprawność, współczynnik transformacji i straty w rdzeniu.
Praca z obciążeniem polega na podłączeniu zasilania do obwodu pierwotnego, w którym płynie suma prądów roboczych i prądów bez obciążenia. Obciążenie jest podłączone do uzwojenia wtórnego transformatora. Ten tryb jest powszechny.
Faza zwarcia występuje, gdy jedynym obciążeniem jest rezystancja cewki wtórnej. W tym trybie określane są straty grzewcze cewki w obwodzie. Parametry transformatorów są uwzględniane w układzie zastępczym aparatury za pomocą nastawiania rezystancji.
Stosunek mocy wejściowej do mocy wyjściowej określa sprawność transformatora.
Aplikacje
Urządzenia gospodarstwa domowego mają kontakt z uziemieniem poprzez przewód neutralny. Jednoczesne dotknięcie obwodu fazowego i neutralnego przez odbiorcę powoduje zwarcie pętlowe i obrażenia ciała. Podłączenie za pomocą transformatora izolacyjnego umożliwia zapewnienie bezpieczeństwa ludzi, ponieważ uzwojenie wtórne nie ma kontaktu z ziemią.
Urządzenia impulsowe są stosowane do transmisji wstrząsów prostokątnych i przekształcania krótkich sygnałów na ładunek. Wyjście zmienia polaryzację i amplitudę prądu, ale napięcie pozostaje niezmienione.
Urządzenia pomiarowe prądu stałego są wzmacniaczami magnetycznymi. Zmiana napięcia przemiennego jest wspomagana przez kierunkowy ruch elektronów o małej mocy. Prostownik dostarcza stałą energię i zależy od wartości przychodzącej energii elektrycznej.
Agregaty prądotwórcze są szeroko stosowane w małych generatorach prądu, generatorach mocy i generatorach średniego prądu w silnikach wysokoprężnych. Transformatory są montowane szeregowo z obciążeniem, urządzenie jest podłączone do źródła za pomocą uzwojenia pierwotnego, a obwód wtórny dostarcza przekształconą energię. Wartość prądu wyjściowego jest wprost proporcjonalna do obciążenia. Jeżeli generator jest trójfazowy, stosuje się urządzenia z trzema prętami magnetycznymi.
Urządzenia odwracające mają tranzystory o tej samej przewodności i wzmacniają na wyjściu tylko część sygnału. Aby uzyskać pełną konwersję napięcia, do obu tranzystorów jest podawany impuls.
Urządzenia dopasowujące służą do łączenia z urządzeniami elektronicznymi o dużej rezystancji na wejściu i wyjściu obciążenia o małym natężeniu przepływu mocy. Urządzenia te są przydatne w liniach wysokiej częstotliwości, gdzie różnica wielkości prowadzi do utraty mocy.
Rodzaje transformatorów
Wartość znamionowa transformatorów zależy od wartości prądu w obwodzie pierwotnym i wtórnym. W typowych typach wartość ta mieści się w zakresie 1-5 A.
Jednostka rozdzielająca nie zapewnia żadnego połączenia między dwoma zwojami. Sprzęt zapewnia izolację galwaniczną, tzn. przesyłanie impulsów w sposób bezdotykowy. Bez niego prąd płynący między obwodami jest ograniczony jedynie przez rezystancję, która nie jest brana pod uwagę ze względu na swoją małą wartość.
Transformator dopasowujący zapewnia dopasowanie różnych wartości rezystancji w celu zminimalizowania zniekształceń kształtu impulsu na wyjściu. Służy on do zapewnienia izolacji galwanicznej.
Zanim dowiemy się, czym są transformatory linii energetycznych, należy zauważyć, że są one dostępne do stosowania w sieciach dużej mocy. Urządzenia zasilane prądem zmiennym modyfikują wartości energii w instalacjach odbiorczych i pracują w miejscach o dużej pojemności i szybkości zmian energii elektrycznej.
Transformatora obrotowego nie należy mylić z urządzeniem wirującym - maszyną służącą do przekształcania kąta obrotu w napięcie obwodu, której sprawność zależy od prędkości obrotowej. Urządzenie przekazuje impuls elektryczny do ruchomych części sprzętu, takich jak głowica magnetowidu. Podwójny rdzeń z oddzielnymi uzwojeniami, z których jedno obraca się wokół drugiego.
W urządzeniu wypełnionym olejem do chłodzenia cewek wykorzystuje się specjalny olej transformatorowy. Mają one zamknięty obwód magnetyczny. W przeciwieństwie do typów lotniczych, mogą one współpracować z sieciami o dużej mocy.
Transformatory spawalnicze do optymalizacji pracy urządzeń, obniżania napięcia i generowania prądu o wysokiej częstotliwości. Osiąga się to przez zmianę indukcyjności lub charakterystyki bez obciążenia. Regulację stopniową wykonuje się przez ułożenie uzwojenia elektrycznego na przewodach.
